黔西南短時強降水時空特征分析

王 芬，王文勇，李 陽

（1.黔西南州氣象局，貴州 興義562400；2.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴州 貴陽550002）

21世紀以來，極端天氣事件頻發，其中由短時強降水及暴雨過程所引發的山洪、泥石流等災害造成的損失日益嚴重，而弄清楚短時強降水與暴雨的關系，對提高預報監測能力具有非常重要的意義。Yu等[1-2]分析了中國大陸的夏季降水日變化特征和降水持續時間的關系；Li等[3]分析了中國南方降水日變化的季節變化特征；白愛娟[4]發現青藏高原中部降水最大值集中在傍晚前后；李建[5]指出北京市夏季降水日變化在降水量和頻次上均以午后至次日清晨為高值區，在中午前后為最低值；姚莉[6]發現4 mm·h-1以上雨強在南部沿海出現最多，且雨強出現頻數的日變化在各地區不相同；周璇[7]認為短時強降水對總降水量的貢獻率遠大于其發生率，最活躍的區域位于華南沿海、海南島，華南沿海和海南地區短時強降水的降水貢獻率偏大更多是依賴于短時強降水的頻發而不是其平均強度，而黃淮平原短時強降水的降水貢獻率高的因素主要來自降水強度，暴雨日發生短時強降水的概率遠高于雨日，平均有超過60% 的短時強降水事件發生在暴雨日。曾勇[8]認為新疆短時強降水主要發生在14—04時，7月最多。常煜[9]認為呼倫貝爾強降水閾值、事件及雨強均有自西向東偏南遞增的分布，最強中心與地形關系密切。毛列尼·阿依提看[10]看把新疆的短時強降水分成3類：對流層高低層干而中層濕度大型、對流層中層干燥型、對流層整層濕度顯著型。彭芳等[11]利用貴州1991—2009年汛期逐小時降水資料，發4—6月頻數逐漸增大，7月維持，8—9月減少，一天中有3個相對較高時段。王芬等[12]研究表明貴州省黔西南州望謨縣短時強降水逐月變化呈現明顯的單峰型結構，6月是短時強降水最頻繁發生的月份；短時強降水日變化呈三峰型結構，夜間是強降水集中發生時間，09—20時未出現短時強降水。

黔西南州地處貴州西南，屬于亞熱帶濕潤季風氣候，位于云貴高原東側，極端天氣事件頻發，其中因短時強降水及暴雨而誘發的洪澇災害對人民生命財產造成非常嚴重的損失，因此對短時強降水和暴雨的研究十分必要。本文利用黔西南2006—2016年逐小時降水量，在區分量級的前提下，分析短時強降水的空間特征、多模態特征及日變化特征，比較了各個級別的短時強降水異同點，并就短時強降水與暴雨的關系也進行了初步探討。

1 資料與方法

本文的研究對象為貴州省黔西南州地面氣候降水資料數據集，選取貴州省黔西南區域資料完整的8個氣象臺站2006—2016年共11 a的逐小時降水資料，圖1給出了8個臺站的位置及海拔高度。

圖1 黔西南8個臺站位置分布

中央氣象臺將1 h降水量≥20 mm記為短時強降水[13]，根據此標準，本文將短時強降水分為3個等級：20 mm≤小時降水量<40 mm，40 mm≤小時降水量<60 mm，小時降水量≥60 mm。對黔西南州8個縣級氣象站各個等級的逐小時強降水強度及頻次進行了統計，采用相似系數來表示短時強降水頻次與暴雨日數二者空間分布圖的相似程度[14]。

2 短時強降水時空分布特征

2.1 空間分布特征

圖2給出了黔西南州近11 a短時強降水累計頻次空間分布，從圖2a可以看出，黔西南短時強降水呈現“東多西少”的空間特征，全州8縣市共發生過569次短時強降水，發生頻次最多的是望謨91次，占全州初夏所有短時強降水頻次的16% ，其次為冊亨，達到85次，占15% ，貞豐最少59次。20～40 mm/h頻次的空間特征為“東多西北多西南少”（圖2b），共發生過494次，發生頻次最多為冊亨76次，占所有該級別短時強降水總頻次的15% ，其次為望謨、晴隆，70次，占14% ，興義最少，僅有49次，占10% 。40～60 mm/h頻次的空間特征為“東多西少”（圖2c），共發生過70次，最多為望謨，達到20次，占該級別總頻次的28.5% ，其次為晴隆13次，占18.5% ，普安最少為2次。60 mm/h以上頻次發生幾率很少，近11a來僅發生過8次（圖2d），發生最多的為冊亨及晴隆，但也僅有2次，而興仁、貞豐近11 a來從未發生過大于60 mm/h的短時強降水。

圖2 短時強降水累計頻次空間分布

綜合圖2比較分析可知，黔西南州的短時強降水主要集中在20～40 mm/h，占所有累積頻次的87% ，20～40 mm/h、40～60 mm/h及總頻次的空間基本特征均為“東多西少”，東部的冊亨、望謨及北部的晴隆這三個區域的短時強降水明顯多于西部及西南部的興義、安龍、普安。

圖3給出了春季、夏季、秋季的20 mm/h以上短時強降水累積頻次的空間分布，由圖3a可以看出，春季短時強降水頻次呈現“東多西少”的特征，區域平均13次，東部的冊亨、望謨最多21次，興義最少僅有2次。夏季短時強降水頻次明顯增多（圖3b），區域平均50次，大值區集中在東北部的望謨、晴隆，其中晴隆最多64次，安龍最少39次。秋季短時強降水明顯減少，平均8次，大值區集中在南部的冊亨14次（圖3c）。

2.2 月和季節變化特征

按月對短時強降水頻次進行統計可知，全年3—11月均會出現短時強降水，但主要出現在5—8月，共發生過535次，占短時強降水總頻數的94% ，6月最多，占全年短時強降水頻次的33% ，其次為7月，占20% ，5月和8月接近，分別為16% 和16.8% 。20～40 mm/h級別的短時強降水呈現單峰結構，在6月達到峰值（155次），7月次之（100次）。40～60 mm/h級別的主要出現在5—9月，其中最多的是6月（31次），5月次之（16次），即此級別的短時強降水在初夏發生最多，占所有該級別短時強降水的67% 。60 mm/h以上的短時強降水出現在6—9月，6月、7月最多，為3次，此級別的短時強降水主要發生在夏季，共發生了7次，占該級別的87.5% 。黔西南州短時強降水都是在6月到達峰值，頻發時段在夏季及春末，冬季沒有發生過短時強降水。

分析春季、夏季、秋季的3個級別短時強降水的累積頻次可知，夏季短時強降水最多，共出現398次，占所有短時強降水的70% ，春季次之，冬季沒有出現過短時強降水。3個級別的短時強降水都是在夏季最多，20～40 mm/h級別的短時強降水發生頻次明顯大于其它級別的，＞60 mm/h的短時強降水只在夏季出現過。

2.3 日變化特征

圖4給出了短時強降水累積發生頻次的日變化特征，黔西南近11 a短時強降水累計出現569次，出現的主要時段在夜間，夜間出現400次，占70% ，主要集中時段為20時—次日04時（北京時，下同），在01—02時達到峰值，發生 53次，占9.3% ，其次為00—01時，達到51次，占9% （圖4a）。白天為短時強降水的低發時段，共發生過169次，占30% 。分析圖5b可知，20～40 mm/h短時強降水累計出現頻次為494次，出現的主要時段也是在夜間，為344次，占70% ，主要集中時段為20—04時，在00—02時達到峰值，發生 42次，占8.5% ，其次為23—00時，共40次，占8.1% 。白天為短時強降水的低發時段，發生的累計頻次為150次，僅占30% 。分析可知，40～60 mm/h短時強降水累計出現頻次迅速下降，僅為70次，出現的主要時段也是在夜間，共56次，占該級別所有短時強降水的80% ，主要集中時段為22—次日02時，在夜間的01—02時達到峰值，發生10次，占14.3% ，其次為00—01時，達到9次，占12.8% 。白天為短時強降水的低發時段，共發生14次，占20% 。60 mm/h以上短時強降水共出現8次，夜間出現5次，主要時段為20—01時，占63% ，白天3次，其中19—20時出現最多為2次。

圖3 不同季節短時強降水頻次空間分布

把一天分為4個時次，上午（08—14時）、午后（14—20時）、前半夜（20—02時）、后半夜（02—08時），統計發現前半夜短時強降水出現次數最多，達到260次，占所有短時強降水的46% ，后半夜次之，出現過140次，占25% ，下午出現過137次，占24% ，上午出現的最少，僅占5% 。分析圖4b發現，20～40 mm/h級別的短時強降水在一天中任何時次都會出現，前半夜最多，午后及后半夜次之，上午最少，40～60 mm/h的在午后至后半夜均會出現，前半夜最多，而＞60 mm/h的短時強降水在前半夜出現最多，在后半夜沒有出現過。

2.4 多模態特征

圖4 近10 a初夏短時強降水頻次日變化

對黔西南近11 a短時強降水累計頻次進行EOF分解，對累積方差貢獻率及其特征根進行了統計，采用North等[15-17]提出的計算特征值誤差范圍的方法對前8個模態進行了顯著性檢驗，第一模態方差貢獻率為90.6% ，前3個模態方差貢獻率為96.1% ，表明黔西南短時強降水頻次的空間分布特征主要由第一模態來表現，累積方差達到90% 時最少需要1個主分量，North檢驗表明前8個模態中的僅有第1個通過了顯著性檢驗。圖5為短時強降水累計頻次前3個模態特征向量空間分布。由圖5a可知，第一特征向量場呈現出明顯的全州一致同位相分布特征，短時強降水發生頻次趨于一致，大值區位于東南部一帶，這種全區一致的特征值占總體方差的90.6% ，很明顯這是受大尺度天氣系統影響造成的。第二特征向量場方差貢獻率占2.9% ，表現為中部到東北一線與其余地方反向變化特征（圖5b），即當中部到東北一線短時強降水發生頻次異常偏多（少）時，其余地區異常偏少（多），這可能是地形原因造成的。第三特征向量場方差貢獻率占2.6% ，表現為東北—西南反向變化特征（圖5c），這也可能是受地形原因造成的。

3 暴雨與短時強降水的關系

3.1 短時強降水對暴雨的貢獻

統計近11 a暴雨站次與短時強降水發生頻次發現（圖6），近11 a黔西南州8縣站累計發生351站次暴雨天氣過程，其中有238次暴雨過程伴有短時強降水，占68% ，112次暴雨過程沒有短時強降水發生，占32% 。這238站次暴雨過程中累計發生短時強降水319次，169次暴雨過程中僅伴有1次短時強降水，占所有暴雨過程的48% ，58次暴雨過程中有2次短時強降水，占17% ，10次暴雨過程伴有3次短時強降水，僅1次暴雨過程中伴有4次短時強降水。

圖5 近10 a初夏短時強降水累計頻次前3個模態時空變化

3.2 空間相關性

黔西南近11 a發生的351站次暴雨過程中，有239次伴隨有短時強降水，累計出現319次（表1），對8縣站暴雨日數與短時強降水累積頻次求相關系數，發現二者的相關系數為0.94，通過了0.05的顯著性水平檢驗。

表1 8縣站暴雨日數與短時強降水出現的頻次

暴雨日數與暴雨過程中出現的短時強降水累計頻次相關系數的空間分布見圖7，陰影區為相關系數通過0.05顯著性水平檢驗的區域。暴雨日數與短時強降水頻次有很好的正相關，8個縣站均通過了0.05的顯著性檢驗，其中興義、望謨的相關系數最高為0.9，普安、貞豐最低為0.6，這充分說明全州各縣的暴雨與短時強降水關系非常密切，二者為顯著的正相關關系。

圖6 暴雨站次與其中伴有短時強降水出現的次數的對比

分析近11 a所有短時強降水累積頻次空間分布、暴雨總日數及暴雨過程中出現的短時強降水總頻次的空間分布發現（圖8），三者的空間分布基本特征均為“東多西少”，其中短時強降水累積頻次與暴雨日數的空間相似系數為0.7，與暴雨過程中出現的短時強降水頻次空間分布相似系數達到0.9，這表示它們的空間分布特征基本一致。

3.3 暴雨量與對應最大雨強的關系

圖9給出了暴雨量及當日最大雨強的散點圖，并作了擬合，分析可知，二者為正相關關系，線性斜率為0.20，解釋方差為0.28，二者的相關系數為0.53，通過了0.05的顯著性水平檢驗。近11 a來黔西南共發生過351站次暴雨天氣過程，其中有239次伴有短時強降水，這239次中有180次最大雨強為20～40 mm/h，55次最大雨強為40～60 mm/h，4次最大雨強在60 mm/h以上。當最大雨強為20～40 mm/h時，降水量多集中在100 mm/h以下，而＞100 mm的大暴雨過程中其最大雨強也較大，有15次大暴雨在20～40 mm/h之間，17次在40～60 mm/h之間，而5次伴有60 mm/h以上的短時強降水中有4次造成了大暴雨天氣，一次特大暴雨天氣。

圖7 暴雨日數與短時強降水的相關系數

圖8 短時強降水頻次與暴雨日數時空分布對比

圖9 暴雨量與最大雨強的散點圖

4 結論

（1）近11 a黔西南短時強降水集中在20～40 mm/h，占所有頻次的87% ，20～40 mm/h、40～60 mm/h及總頻次的空間基本特征為“東多西少”。夏季短時強降水最多（達50次），其次為春季13次，秋季最少。

（2）短時強降水主要出現在5—8月，3個級別的短時強降水都是在6月或夏季到達峰值。20～40 mm/h級別的短時強降水出現的頻次最多，＞60 mm/h的短時強降水只在夏季出現過。70% 的短時強降水出現在夜間，主要集中時段為20—04時：前半夜短時強降水出現次數最多，占所有短時強降水的46% ，后半夜次之，占25% ，上午出現的次數最少，且3個級別的短時強降水都是在前半夜出現最多。

（3）EOF分解表明短時強降水第一特征向量場呈現出明顯的全州一致同位相分布特征，第二特征向量場表現為中部到東北一線與其余地方反向變化特征，第三特征向量場表現為東北～西南反向變化特征。

（4）近11 a黔西南州68% 暴雨天氣中都伴有短時強降水，短時強降水出現的次數在1～4次之間，大部分暴雨過程中僅伴有1～2次短時強降水，有10次暴雨過程伴有3次短時強降水，僅1次暴雨過程中伴有4次短時強降水。短時強降水累積頻次、暴雨日數與暴雨過程中出現的短時強降水的頻次三者的空間分布基本特征均為“東多西少”，其中短時強降水頻次與暴雨日數的空間相似系數為0.7，暴雨日數與暴雨過程中出現的短時強降水頻次空間分布相似系數為0.9。暴雨量與當日最大小時降水量為顯著正相關關系，239次伴有短時強降水的暴雨過程中180次最大雨強為20～40 mm/h，55次為40～60 mm/h，有4次最大雨強在60 mm/h以上；當最大雨強為20～40 mm時，其降水多集中在100 mm以下，而＞100 mm的大暴雨過程中其最大小時雨強也較大，有15次大暴雨在20～40 mm/h之間，17次在40～60 mm/h之間。

黔西南短時強降水成因復雜，特別是在貴州復雜的地形條件下，其影響因子更多，本文僅分析了短時強降水的多尺度特征，其發生發展的機理將是下一步的研究方向。